DE2456293A1 - Fault location in optical fibres or cables - uses light pulse generated by laser - Google Patents

Fault location in optical fibres or cables - uses light pulse generated by laser

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DE2456293A1 DE19742456293 DE2456293A DE2456293A1 DE 2456293 A1 DE2456293 A1 DE 2456293A1 DE 19742456293 DE19742456293 DE 19742456293 DE 2456293 A DE2456293 A DE 2456293A DE 2456293 A1 DE2456293 A1 DE 2456293A1
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Abstract

The pulse is split, so that a part of it is applied to the tested fibre (8), and the other part is reflected onto a photoreceiver (10). Light component applied to the fibre (8) is partly reflected at the fault, and the reflected part directed onto the receiver (10). Propagation time of the two pulse parts is measured. The laser (1) has the strongest and shortest impulses e.g. from a neodymium laser. The radiated light is brought to a bundle by a focussing arrangement (2) and falls into a partially transparent mirror (3) positioned at 45 deg. where it is divided into two beams.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserkabeln.Method and device for determining the location of faults in optical fibers The present invention relates to a method for fault location determination in optical fibers or optical fiber cables.

Für derartige optische Nachrichtenkabel sind auch wie bei den bekannten konventionellen Kabeltypen Beschädigungen, z.B.For such optical communication cables are also as with the known conventional cable types damage, e.g.

Kabelbrüche, nie auszuschließen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fehlerortsbestimmung zu schaffen, mit dem mit hinreichend großer Genauigkeit der Fehlerort von einem Faser- oder Kabelende aus in der Lichtleitfaser oder dem Lichtleitfaserkabel aufgefunden werden kann, ohne daß dazu die Faser oder das Kabel selbst untersucht werden muß oder beispielsweise parallel zur Faser oder zum Kabel separate Meßadern vorgesehen werden müssen.Cable breaks, can never be ruled out. The invention is therefore the task based on creating a method for determining the location of the fault, with sufficient great accuracy of Fault location from a fiber or cable end from can be found in the optical fiber or the optical fiber cable, without having to examine the fiber or the cable itself or for example separate measuring leads must be provided parallel to the fiber or the cable.

Erflndungsgemiß wird dies dadurch erreicht, daß ein von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser, erzeugter kurzer Lichtimpuls derart geteilt wird, daß er teilweise in die zu messende Faser eingekoppelt und teilweise auf einen Lichtempfänger reflektiert wird, und der in die Faser eingekoppelte Lichtanteil an der Fehlerstelle teilweise reflektiert und ebenfalls auf den Lichtempfänger geleitet und die Laufzeitdifferenz der beiden Teilstrahlen gemessen wird. Dieses Meßverfahren wird dadurch ermöglicht, daß an der Bruchstelle einer Lichtleitfaser zwar der größte Teil des ankommenden Lichtes austritt, ein beträchtlicher Teil aber auch wieder reflektiert wird, so daß das mit einer starken Lichtquelle erzeugte kurze Lichtsignal, das in die Faser eingestrahlt worden ist, dazu verwendet werden kann, die Zeit zu messen, die das Lichtsignal braucht, um amdie Lichteintrittsstelle zurückzukehren. Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laser mit möglichst hohen und kurzen monochromatischen Lichtimpulsen verwendet, beispielsweise mit einer Wellenlänge des abgegebenen Lichtes von 0,2 bis 1,5 Mikrometer.According to the invention, this is achieved in that a light source, e.g. a laser, the short pulse of light generated is divided in such a way that it is partially coupled into the fiber to be measured and partially reflected onto a light receiver and the light component coupled into the fiber at the fault location is partially reflected and also directed to the light receiver and the transit time difference of the two partial beams is measured. This measuring method is made possible by that at the break point of an optical fiber, although most of the incoming Light emerges, but a considerable part is also reflected back, so that the short light signal generated with a strong light source that enters the fiber irradiated can be used to measure the time that the Light signal needs to return to the light entry point. As a light source a laser with as high and short monochromatic light pulses as possible is preferred used, for example with a wavelength of the emitted light of 0.2 up to 1.5 micrometers.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn das Licht des Lasers senkrecht zur Einfallsebene einer das Laserlicht in die beiden- Teilstrahlen teilenden Vorrichtung polarisiert ist. Durch eine derartige Polarisation des Lichtes wird die Reflexion des Teilstrahls an der teilenden Vorrichtung erhöht, so daß mehr Lichtenergie in die zu messende Faser geleitet wird, und-somit auch das wieder aus der zu messenden Faser austretende Lichtsignal stärker ist und somit dessen Messung erleichtert wird.In an embodiment of the method according to the invention, it is advantageous when the light from the laser is perpendicular to the plane of incidence one the laser light enters the two partial beams splitting device is polarized. By such a The polarization of the light is the reflection of the partial beam on the dividing device increased so that more light energy is directed into the fiber to be measured, and thus also the light signal emerging from the fiber to be measured is stronger and thus its measurement is facilitated.

Zum T)urchfilhren des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerortsbestimmung wird vorteilhafter Weise eine Vorrichtung verwendet, die aus einem als Lichtquelle dienenden Laser besteht, vor dem in zu e einem einem Winkel von 450 zur Lichtausbreitungsrichtung ein teildurchlässiger Spiegel z.B. eine planparallele Glasplatte und dem Laser gegenüber hinter dieser ein Spiegel angeordnet ist, und in Reflexionsrichtung im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls eine Lichtleitfaser mit endseitigem Stecker zum Anschluß der zu messenden Lichtleitfaser oder des Faserkabels und in entgegengesetzter Richtung hinter dem teildurchlässigen Spiegel eine Empfangsvorrichtung angeordnet ist. Wie sich aus dem Aufbau dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ergibt, fällt demnach auf die Empfangsvorrichtung einmal das Licht, das am Spiegel reflektiert wird und der Lichtanteil, der über den Stecker in die Lichtleitfaser eingekoppelt und an der schadhaften Stelle reflektiert wird.To carry out the method according to the invention for determining the location of the fault a device is advantageously used, which consists of a light source serving laser exists, in front of the in to e at an angle of 450 to the direction of light propagation a partially transparent mirror e.g. a plane-parallel glass plate and opposite the laser a mirror is arranged behind this, and in the direction of reflection in the beam path of the reflected partial beam an optical fiber with an end connector for connection the optical fiber or the fiber cable to be measured and in the opposite direction a receiving device is arranged behind the partially transparent mirror. As results from the structure of this measuring device according to the invention, falls accordingly on the receiving device once the light that is reflected on the mirror and the amount of light that is coupled into and on the optical fiber via the connector the damaged area is reflected.

Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem Laser und dem teildurchlässigen Spiegel sowie zwischen diesem und der Lichtleitfaser und der Empfangsvorrichtung Fokussiereinrichtungen angeordnet sind, durch die das Licht gebUndelt wird und somit Streuungsverluste weitgehend vermieden-werden.According to the invention, it is also advantageous if between the laser and the partially transparent mirror and between this and the optical fiber and the receiving device focusing devices are arranged through which the light is bundled and thus scatter losses are largely avoided.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Spiegel einen kleinen Reflexionsfaktor besitzt. Durchjdiese Maßnahme wird erreicht, daß der am Spiegel reflektierte Lichtanteil geschwächt wird, so daß der Unterschied in der Lichtintensität, das heißt in der Ampli tude der Liohtimpulse der beiden Teilstrahlen, nicht zu groß ist, wodurch eine Messung in der Empfangsvorrichtung der beiden Lichtimpulse erleichtert wird.In a further embodiment of the invention, it can also be advantageous if the mirror has a small reflection factor. By this measure it is achieved that the light component reflected on the mirror is weakened, so that the difference in light intensity, i.e. in the amplitude of the light pulses of the two partial beams, is not too large, whereby a measurement in the receiving device of the two light pulses is facilitated.

Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, wenn am Anfang der-Lichtleitfaser ein Modenabstreifer angeordnet rist, so daß in die Faser nur solche Wellentypen eingekoppelt werden, bei denen die- FUhrung durch den Faserkern erfolgt, und somit die Einkopplung von Störmoden verhindert wird.Furthermore, it can be advantageous according to the invention if at the beginning The optical fiber has a mode stripper arranged so that in the fiber only those wave types are coupled in which lead through the fiber core takes place, and thus the coupling of interference modes is prevented.

Damit bei der Messung der Laufzeitverschiebung der beiden Teilstrahlen nur-die Länge der zu messenden Lichtleitfager bis. zum Fehlerort berücksichtigt werden muß, ist es erfindungsgemäß weiterhin zweckmäßig, wenn der Strahlenweg zwischen dem teildur'chlässige,n Spiegel und, dem Spiegel und zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und der endseitig den Stecker auSweisenden Lichtleitfaser gleich groß ist. Die erfindungsgemäß verwendete Empfangsvorrichtung kann vorteilhafterweise aus einer Fo-Fotodiode mit angeschlossenem Verstärker und .nachgeschaltetem- Oszillographen bestehen.So when measuring the delay time shift of the two partial beams only-the length of the fiber optic bearings to be measured up to. taken into account at the location of the fault must be, it is also useful according to the invention if the beam path between the partially transparent, n mirror and, the mirror and between the partially transparent The mirror and the optical fiber showing the connector at the end are of the same size. The receiving device used according to the invention can advantageously consist of a Fo photodiode with connected amplifier and downstream oscilloscope exist.

Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher -erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 den Amplitudenverlauf der beiden in der Empfangsvorrichtung gemessenen Teilstrahlen.Based on the embodiment shown in the accompanying drawings the invention is explained in more detail. They show: FIG. 1 the schematic structure a device according to the invention and FIG. 2 shows the amplitude curve of the two partial beams measured in the receiving device.

Eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung besteht aus einem Laser 1 mit möglichst starken und kurzen Impulsen, z,.B. aus einem Neodym-Laser. Das von diesem ausgestrahlte Licht wird zunächst in einer Fokussiereinrichtung 2 gebUndelt und fällt auf einen teildurchlässigen Spiegel, z.B'. eine planparallele Glasplatte 3, die um 450 gegen den einfallenden Lichtstrahl geneigt ist.A measuring device according to the invention consists of a laser 1 with Impulses that are as strong and short as possible, e.g. from a neodymium laser. That of this emitted light is first bundled in a focusing device 2 and falls on a partially transparent mirror, e.g. '. a plane-parallel glass plate 3, which is inclined at 450 to the incident light beam.

An dieser Glasplatte 3 wird der einfallenden Lichtstrahl geteilt in zwei Teilstrahlen, und zwar in einen der senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert wird und ebenfalls in einer Fokussiereinrichtung 4 gebUndelt und von dort in eine Lichtleitfaser' 5 mit endseitigem Stecker 6 geleitet wird. Am Beginn der Licht leitfaser 5 ist ein Modenabstreifer 7 vorgesehen, der die Ausbreitung von Störmoden verhindert. An den Stecker 6 ist das zu messende fehlerhafte optische Nachrichtenkabel oder die einzelne Lichtleitfaser 8 angeschlossen. Der andere Teilstrahl tritt unter Brechung aus der planparallelen Glasplatte 3 aus und fällt auf einen dem Laser 1 gegenüberliegenden Spiegel 9, der einen kleinen Reflexionsfaktor aufweisen soll. Am Spiegel 9 wird dieser Teilstrahl reflektiert und fällt wiederum auf die planparallele Glasplatte an der er senkrecht zur Einfallsebene reflektiert wird und auf eine Empfangsvorrichtung 10 fällt.On this glass plate 3, the incident light beam is divided into two partial beams, namely in one of the reflected perpendicular to the direction of incidence and is also bundled in a focusing device 4 and from there into a Optical fiber '5 is passed with connector 6 at the end. At the beginning of the optical fiber 5 a mode stripper 7 is provided which prevents the propagation of interfering modes. The faulty optical communication cable or cable to be measured is connected to the plug 6 the single optical fiber 8 connected. The other partial beam occurs under refraction out of the plane-parallel glass plate 3 and falls on one opposite the laser 1 Mirror 9, the one should have a small reflection factor. At the Mirror 9, this partial beam is reflected and falls again on the plane-parallel Glass plate on which it is reflected perpendicular to the plane of incidence and on a receiving device 10 falls.

Diese besteht im dargestellten Beispiel aus einer Fokussiereinrichtung 11, einer Fotodiode 12 mit angeschlossenem Verstärker 13 und nachgeschaltetem Oscillographen 14; der in die fehlerharte Lichtleitfaser 8 gelenkte Teilstrahl wird an der Fehlerstelle zum Teil reflektiert und fällt nach Durchlaufen des Steckers 6, der Faser 5, der Glasplatte 3 ebenfalls auf die Empfangsvorrichtung 10. Aufgrund der in der Empfangsvorrichtung registrierten Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen kann leicht die Entfernung der Fehlerstelle in der Faser 8 berechnet werden. Wie sich aus dem nachstehenden Berechnungsbeispiel ergibt: Wird von einem Brechungsindex von n = 1,5 für die Glasplatte ausgegangen, so ergibt sich für die reflektierte Intensität IR als Prozent der einfallenden Intensität mit Hilfe der Fresnelschen Formeln: a) Schwingungsebene des Lichtes senkrecht zur Einfallsebene: IR@=# # 2 b) Schwingungsebene des Lichtes parallel zur Einfallsebene: IR" = # # 2 , wobei = = Einfallswinkel in die Glasplatte (= 450) und ß = Winkel unter dem das Licht in der Platte gebrochen wird (ß = sin -1 ( sinnoc ) = 28,130), bedeuten.In the example shown, this consists of a focusing device 11, a photodiode 12 with a connected amplifier 13 and a downstream oscillograph 14; the partial beam directed into the faulty optical fiber 8 is at the fault location partly reflected and falls after passing through the plug 6, the fiber 5, the Glass plate 3 also on the receiving device 10. Due to the in the receiving device registered time difference between the two partial beams can easily be the Distance of the flaw in the fiber 8 can be calculated. As can be seen from the following Calculation example results in: Assumes a refractive index of n = 1.5 for the glass plate assumed, the reflected intensity is IR as a percentage of the incident Intensity using Fresnel's formulas: a) The plane of oscillation of light is perpendicular to the plane of incidence: IR @ = # # 2 b) plane of oscillation of the light parallel to the plane of incidence: IR "= # # 2, where = = angle of incidence into the glass plate (= 450) and β = angle under which the light is refracted in the plate (ß = sin -1 (sinnoc) = 28.130), mean.

Damit ergibt sich: IR = o,o9 und 1Rn = o,oi . This gives: IR = o, o9 and 1Rn = o, oi.

Im günstigeten Fall (Schwingungsebene des vom Laser 1 erzeugten Lichtes senkrecht zur Einfallsebene der Glasplatte 3) wird also ca. 9 % der Energie in die Faserrichtung reflektiert; die Verluste betragen 91 .In the best case (oscillation plane of the light generated by the laser 1 perpendicular to the plane of incidence of the glass plate 3) is about 9% of the energy in the Fiber direction reflected; the losses are 91.

Im genannten System treten etwa folgende Verluste auf: Ort der Verluste Größe der Verluste (%) (db) Glasplatte 91 10,5 Linsen 8 0,4 geschätzt für 3 Linsendurch- # 16 db gänge bei optischer Vergütung Einkoppelverluste in die 70 5,2 Faser Stecker + Faser 40 für eine halbe Verstärker- feldlänge , 57 db Reflexion an defekter Stelle 98 17 Unter den obigen Voraussetzungen ergeben sich folgende Lichtleistungen, wenn davon ausgegangen wird, daß 1 W in die Faser 8 eingekoppelt werden kann, ohne daß sie zerstört wird: Ausgangsleistung des Lasers 1: 39 W Eingekoppelte Leistung in die Lichtleitraser 8: 1 W An der Empfangsvorrichtung noch ankommende Leistung: 2 /uW Die vorstehende Abschätzung zeigt, daß eine Fehlerortung auf diese Weise also möglich ist, da ein Lichtsignal von 2µW noch sicher nachgewiesen werden kann.The following losses occur in the system mentioned: Location of Losses Size of Losses (%) (db) Glass plate 91 10.5 Lentils 8 0.4 estimated for 3 lens diameters- # 16 db courses with optical coating Coupling losses in the 70 5.2 fiber Connector + fiber 40 for half an amplifier field length, 57 db Reflection at defective point 98 17 Under the above conditions, the following light output results if it is assumed that 1 W can be coupled into the fiber 8 without it being destroyed: Output power of the laser 1: 39 W Coupled power into the fiber optic laser 8: 1 W at the receiving device Power still arriving: 2 / uW The above estimate shows that fault location is possible in this way, since a light signal of 2µW can still be reliably detected.

Bestimmt man den Laufzeitunterschied der beiden Teilstrahlen, dann läßt sich die Fehlerentfernung 5F bestimmen: @ tic + #.tc F - 2n - 2n Dabei bedeuten -t = Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen c = Lichtgeschwindigkeit n = Brechungsindex im Faserkern (effektiver Brechungsindex) = Impulsaufweitung des zweiten Teilstrahls aufgrund der Dispersion.If the difference in transit time of the two partial beams is determined, then the error distance 5F can be determined: @ tic + # .tc F - 2n - 2n Included mean -t = difference in transit time between the two partial beams c = speed of light n = refractive index in the fiber core (effective refractive index) = pulse expansion of the second partial beam due to the dispersion.

-Wie sich aus Fig. 2 ergibt, lässt sich z.B. auf dem Oszillographen die Laufzeitdifferenz ablesen und ebenfalls t abschätzen.-As can be seen from Fig. 2, for example on the oscillograph read off the transit time difference and also estimate t.

Unter der Annahme, daß der Lichtimpuls (Länge z.B. Ins) genügend steil ist und die Aufweitung des in die Faser elngekoppelten Teilstrahls ca. + lns beträgt, dann lässt sich-der Fehlerort auf #.t.c #SF = = # 10 m genau abschätzen.Assuming that the light pulse (length e.g. Ins) is sufficiently steep and the expansion of the partial beam coupled into the fiber is approx. + lns, Then the location of the fault can be estimated precisely to # .t.c #SF = = # 10 m.

2n2n

Claims (8)

Patentansprüche: Verfahren zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserkabeln, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß ein von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser (1) erzeugter Lichtimpuls derart geteilt wird, daß er teilweise in die zu messende Faser (8) eingekoppelt und teilweise auf einen Lichtempfänger (10) reflektiert wird, und der in die Faser (8) eingekoppelte Lichtanteil an der Fehlerstelle teilweise reflektiert und,,ebenalls auf. den Lichtempfänger (10) geleitet und die Laufzeitdifferenz der beiden Teilimpulse gemessen wird. Claims: Method for determining the location of faults in optical fibers or fiber optic cables, noting that one of a light source, e.g. a laser (1), is split in such a way that it is partially coupled into the fiber to be measured (8) and partially to one Light receiver (10) is reflected, and the light component coupled into the fiber (8) partially reflected at the point of failure and, also on. the light receiver (10) and the difference in transit time of the two partial pulses is measured. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d ur c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Licht des Lasers (1) senkrecht zur Einfallsebene einer das Laserlicht in die beiden Teilstrahlen teilenden Vhorrichtung (3) polarisiert ist. 2. The method according to claim 1, d a d ur c h g e k e n n -z e i c h n e t that the light from the laser (1) is perpendicular to the plane of incidence of the laser light is polarized in the two partial beams dividing Vhorrichtung (3). 3. Vorrtchtung zum Durchrühren des Verfahrens nach den AnsprU-chen 1 und 2, g e k e n n z e i, c h n e t durch einen als Lichtquelle dienenden Laser (1) vor dem in einem Winkel von 450 zur Lichtausbreitungsrichtung ein teildurchlässiger Spiegel, z.B. eine planparallele Glasplatte (3), und dem Laser (1) gegenüber hinter dieser ein Spiegel (9) angeordnet sind und in Reflektionsrichtung der Glasplatte (3) im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls eine Lichtleitfaser (5) mit endseitigem Stecker (6) zum Anschluß der zu messenden Lichtleitfaser (8) und in entgegengesetzter Richtung hinter der Glasplatte (3) eine Empfangsvorrichtung (10) angeordnet ist. 3. Device for carrying out the method according to the claims 1 and 2, g e k e n n z e i, c h n e t by a laser serving as a light source (1) in front of the at an angle of 450 to the direction of light propagation a partially transparent Mirror, e.g. a plane-parallel glass plate (3), and the laser (1) opposite behind this a mirror (9) are arranged and in the reflection direction of the glass plate (3) in the beam path of the reflected partial beam an optical fiber (5) with an end Connector (6) for connecting the optical fiber to be measured (8) and in the opposite direction Direction behind the glass plate (3) a receiving device (10) is arranged. 4, Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß zwischen dem Laser (13 und der Glaplatte (3) sowie zwischen dieser und der Lichtleitfas.r (5) und der Empfangsvorrichtung (10) Fokussiereinrichtungen (2,4,11) angeordnet sind. 4, device according to claim 3, d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that between the laser (13 and the glass plate (3) and between this and the optical fiber (5) and the receiving device (10) focusing devices (2,4,11) are arranged. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Spiegel (8) einen kleinen Reflexionsfaktor besitzt.5. Apparatus according to claim 3 or 4, d a d u r c h g e -k e n n show that the mirror (8) has a small reflection factor. 6. Vorrichtung hach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k-e n n- z-e i c h n e t, daß am Anfang der Lichtleitfaser (5) ein Modenabstreifer ( 7) angeordnet ist 6. The device hach one or more of claims 3 to 5, d a d u r c h g e k-e n n- z-e i c h n e t that at the beginning of the optical fiber (5) a Mode stripper (7) is arranged 7. Vorrichtung nach ein-em oder mehreren der Ansprüche-3 bis 6, d a d ur c h g e k e n n z e'i c h n e t, daß der Strahlenweg zwischen der Glasplatte (3) und dem Spiegel (8) und zwischen der Glasplatte (3) und der endseitig den Stecker (6) aufweisenden Lichtleitfaser (5) gleich groß ist.7. Device according to one or more of the Claims-3 to 6, d a d ur c h g e n n n z e'i c h n e t that the beam path between the glass plate (3) and the mirror (8) and between the glass plate (3) and the optical fiber (5) having the plug (6) at the end is of the same size. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Empfangsvörrichtung (10) aus einer Fotodiode (12) mit angeschlossenem Verstärker (13) und nachgeschalteten Oszillographen (14) besteht.8. Device according to one or more of claims 3 to 7, d a it is indicated that the receiving device (10) consists of a Photodiode (12) with connected amplifier (13) and downstream oscilloscope (14) exists. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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